כל חומר מורכב מאטומים המורכבים בתורם מאלקטרונים טעונים שלילית. אלקטרונים טעונים שליליים אלה נעים לכיוונים אקראיים בתוך האטום. תנועת אלקטרונים זו יוצרת חַשְׁמַל . אך בשל תנועתם האקראית, המהירות הממוצעת של אלקטרונים בחומר הופכת לאפס. נצפה שכאשר מוחל הפרש פוטנציאלי על קצות החומר, האלקטרונים הנמצאים בחומר רוכשים מהירות מסוימת הגורמת לזרימת רשת קטנה בכיוון אחד. מהירות זו שגורמת לאלקטרונים לנוע בכיוון מסוים מכונה מהירות סחיפה.
מהי מהירות דריפט?
המהירות הממוצעת אליה משיגים אלקטרונים נעים אקראיים כאשר מרימים את השדה החשמלי החיצוני, הגורם לאלקטרונים לנוע לכיוון אחד נקרא Speed Drift.
כל חומר מוליך מכיל אלקטרונים חופשיים הנעים באופן אקראי בטמפרטורה מעל האפס המוחלט. כאשר השדה החשמלי החיצוני מוחל סביב החומר האלקטרונים מגיעים למהירות ונוטים לנוע לכיוון החיובי, ומהירות נטו של האלקטרונים תהיה בכיוון אחד. האלקטרון ינוע לכיוון השדה החשמלי המופעל. כאן האלקטרון אינו מוותר על אקראיות התנועה שלו אלא עובר לפוטנציאל גבוה יותר עם התנועה האקראית שלהם.
הזרם המיוצר על ידי תנועת אלקטרונים זו לעבר הפוטנציאל הגבוה יותר נקרא זרם הסחף. לפיכך, ניתן לומר כי כל זרם המיוצר בחומר מוליך הוא זרם סחף.
מהירות דריפט גִזרָה
להפיק את ביטוי למהירות סחיפה יש לדעת את הקשר שלה עם ניידות האלקטרונים וההשפעה של שדה חשמלי חיצוני מיושם. ניידות של אלקטרון מוגדרת כזו מהירות ההיסחפות עבור שדה חשמלי ביחידה. השדה החשמלי פרופורציונלי לזרם. כך ה חוק אוהם ניתן לכתוב כ
F = -μE .— - (1)
כאשר μ היא ניידות האלקטרון הנמדדת כ- mשתיים/ V.sec
E הוא השדה החשמלי שנמדד כ- V / m
אנו יודעים ש- F = ma, תחליף ב- (1)
a = F / m = -μE / m ———- (2)
המהירות הסופית u = v + at
כאן v = 0, t = T, שהוא זמן ההרפיה של האלקטרון
לכן u = aT, החלף ב- (2)
∴ u = - (μE / m) T
הנה, u היא מהירות הסחף, נמדדת כ m / s.
זה נותן את הביטוי הסופי. ה כן יחידת מהירות סחיפה הוא m / s או Mשתיים/(V.s) ו- V / m
נוסחת מהירות דריפט
נוסחה זו משמשת למציאת ה- מהירות סחיפה של אלקטרונים במוליך נושא זרם. כאשר אלקטרונים עם צפיפות n ומטען Q גורמים לזרם 'I' דרך מוליך של שטח חתך A, ניתן לחשב את מהירות הסחף v באמצעות הנוסחה I = nAvQ.
עלייה בעוצמת השדה החשמלי החיצוני המופעל גורמת לאלקטרונים להאיץ במהירות רבה יותר לכיוון חיובי, בניגוד לכיוון השדה החשמלי המופעל.
הקשר בין מהירות סחיפה לזרם חשמלי
כל מוליך מכיל בתוכו אלקטרונים חופשיים הנעים באופן אקראי. תנועת אלקטרונים לכיוון אחד הנגרמת ממהירות הסחף מייצרת זרם. מהירות הסחף של אלקטרון קטנה מאוד בדרך כלל במונחים של 10-1גברת. לפיכך, עם מהירות זו, ייקח לאלקטרון 17 דקות לעבור דרך מוליך באורך מטר אחד.
מהירות סחיפה של אלקטרונים
כלומר, אם נדלק נורה חשמלית היא צריכה להידלק לאחר 17 דקות. אך אנו יכולים להדליק את הנורה החשמלית בביתנו במהירות הבזק. הסיבה לכך היא שמהירות הזרם החשמלי אינה תלויה במהירות הסחיפה של האלקטרון.
זרם חשמלי נע במהירות האור. זה לא נקבע עם מהירות הסחיפה של האלקטרונים בחומר. לפיכך, הוא עשוי להשתנות בחומר אך מהירות הזרם החשמלי נקבעת תמיד על פי מהירות האור.
הקשר בין צפיפות זרם ומהירות נסחף
צפיפות הזרם מוגדרת ככמות הזרם הכוללת שעוברת ליחידת זמן דרך יחידת חתך רוחב של המוליך. מנוסחת מהירות ההיסחפות, הזרם ניתן כ-
אני = nAvQ
לכן, ניתן לחשב את צפיפות הזרם J כאשר ניתן שטח חתך ומהירות סחיפה
J = I / A = nvQ
כאשר v הוא מהירות הסחיפה של האלקטרונים. צפיפות הזרם נמדדת כמו אמפר למ'ר. לפיכך, מהנוסחה ניתן לומר כי מהירות ההיסחפות של האלקטרונים של מוליך וצפיפות הזרם שלה פרופורציונלית ביניהן זו לזו. ככל שמהירות ההיסחפות עולה עם העלייה בעוצמת השדה החשמלי, גם הזרם הזורם לכל שטח חתך גדל.
ה- Rהתרוממות הרוח בין מהירות הסחף לזמן הרפיה
במוליך, אלקטרונים נעים באופן אקראי כמולקולות גז. במהלך תנועה זו הם מתנגשים זה בזה. זמן ההרפיה של האלקטרון הוא הזמן הנדרש על ידי האלקטרון כדי לחזור לערך שיווי המשקל הראשוני שלו לאחר ההתנגשות. זמן הרפיה זה ביחס ישר לחוזק השדה החשמלי החיצוני המופעל. זמן השדה החשמלי גדול יותר, כך הזמן הדרוש לאלקטרונים כדי להגיע לשיווי משקל ראשוני לאחר הסרת השדה.
זמן הרפיה מוגדר גם כזמן שבאמצעותו יכול האלקטרון לנוע בחופשיות בין התנגשויות עוקבות עם יונים אחרים.
כאשר הכוח הנובע מהשדה החשמלי המופעל הוא eE, ניתן לתת V כ-
V = (eE / m) T
כאשר T הוא זמן ההרפיה של האלקטרונים.
ביטוי מהירות סחף
כאשר ניידות μ של נושאות המטען וחוזק השדה החשמלי המופעל E ניתנים, ואז ניתן לחוות את חוק אוהם במונחים של מהירות סחיפה כ-
V = μE
יחידות S.I לתנועתיות האלקטרון הן משתיים/ לעומת.
יחידות S.I של שדה חשמלי E הן V / m.
לפיכך יחידת S.I עבור v היא m / s. יחידת S.I זו ידועה גם כ- Axial Drift Velocity.
לפיכך, אלקטרונים הנמצאים במוליך נעים באופן אקראי גם כאשר לא מוחל שדה חשמלי חיצוני. אבל מהירות הרשת המיוצרת על ידיהם מתבטלת עקב התנגשויות אקראיות ולכן, זרם הרשת יהיה אפס. לפיכך, הקשר בין זרם חשמלי, צפיפות זרם ומהירות סחיפה מסייע בזרימה תקינה של זרם חשמלי דרך ה- נהג . מהו זרם סחף?
